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有机半导体分子的自组装为构建有机微纳光电子器件提供了一种简单易行的途径,尤其是简单、价廉的液相自组装方法。并苯类和低聚噻吩是光电器件中重要的两类有机小分子材料,典型的代表化合物并五苯、并四苯、六噻吩等表现出优异的光电性能,但是它们的溶解度小,难溶于一般溶剂,在这里我们发展了高温溶液自组装的方法制备了它们的微纳单晶,并分析了其场效应晶体管性能、光导性能和光学性质,通过掺杂和界面修饰提高其光导性能。具体内容如下:
1、我们发展了一种高温再沉淀的方法,成功制备了并四苯(Tetracene)和并五苯(Pentacene)两种材料的二维单晶微米片。高温条件下,并四苯、并五苯分子在溶剂1,2,4-三甲苯中的溶解度增加,可获得高浓度的单分子溶液态;高的单体化学势提供了大的结晶驱动力,从而形成了二维片状单晶。AFM结果表明二维片状单晶的厚度在几百个纳米,边长可达几十甚至上百微米。XRD和ED结果证明并四苯、并五苯分子在二维片状单晶中以垂直于基底的形式排列,分子间具有强的π-π相互作用。并四苯和并五苯单个微米片构筑的FET器件的空穴迁移率达到了~1 cm2/Vs,开关比为108。这一制备方法的提出为液相法制备难溶类有机半导体材料提供了新的解决思路。
2、利用发展的高温再沉淀法,制备了tetracene微米片和掺杂并四苯醌的微米片。研究发现,并四苯单晶微米片由于较长的激子寿命和迁移距离,显示很好的光响应和外量子效率。掺杂一定量的并四苯醌后,能够显著提高tetracene微米片的光响应能力,其中微量掺杂(1%)获得最佳的光响应值以及开关比。同时,并四苯醌界面修饰tetracene微米片也获得比较好的光响应。这为设计高性能的光导器件提供了参考依据。
3、利用氯苯作为良溶剂,乙醇为不良溶剂,用高温再沉淀的方法成功制备了6T的二维单晶微米片。微米片边长达几十微米。XRD和ED结果证明6T在二维片状单晶中以垂直于基底的形式排列,具有良好的π-π电子重叠。二维片状单晶在机械强度上满足微操作的要求,单个微米片构筑的FET器件的迁移率达到了~0.2 cm2/vs,开关比为108,说明制备的微米片的结晶性很好。微米片虽然归为H-聚集体,但却拥有比较高的固体荧光量子产率,可以用于构筑新型发光场效应晶体管。而且更为有趣的是,通过瞬态荧光光谱实验我们证实单晶片光激发后发生了少量系间窜越,得到的三重态激子的寿命可达微秒级。这一工作为进一步研究噻吩类化合物的本征光学、电学性质以及新型光电器件的构筑提供了很好的模型体系,后续的工作还在进一步研究中。